基于有限元的钢板弹簧应力分析
重卡钢板弹簧U形螺栓有限元分析
重卡钢板弹簧U形螺栓有限元分析时间：2011-05-16 12:48:14 来源：（三一重工工程车辆研究院）袁根旺，赵季华，石迁, 邓星雄, 陈祥仕,翟计托摘要：本文以重卡钢板弹簧U形螺栓为研究对象，对其进行有限元建模和分析，并与试验数据对比，验证了有限元模型的准确性。
在此基础上，通过有限元分析，探讨两U形螺栓距离和U形螺栓预紧力的大小变化，对钢板弹簧和U形螺栓内部应力的影响，为钢板弹簧和U形螺栓的设计提供了依据。
Abstract：This paper sets up the analysis model of leaf spring and U-bolts on heavy truck. The analysis result was compared with the test result. Therefore the validity of the FEM model was proved. With the help of finite element method the relationship between the install distance ofU-bolts and the stresses in leaf spring and in bolts was investigated. Furthermore the influence of assembly preload of U-bolts on the change of stresses in leaf springs and in U-bolts was analyzed as well. The results can provide reasonable reference for design of leaf springs and U-bolts.前言钢板弹簧把车架和车桥弹性连接起来，除承受和传递各向作用力外，还起缓冲作用。
少片变截面钢板弹簧的有限元分析
少片变截面钢板弹簧的有限元分析吴娜;张士强【摘要】以有限元分析理论为基础,应用ANSYS分析软件,对少片变截面钢板弹簧进行了静力分析和模态分析.得到了钢板弹簧满载时的应力分布云图、应力-位移曲线、六阶不同阵型图,为少片钢板弹簧的前期设计开发提供了模态特性预测参数和强度评价及疲劳寿命的科学依据.%Based on the theory of finite element, static analysis and modal analysis are used to analyze less taper leaf spring with ANSYS software. The stress distribution nephogram, the stress-displacement curve, different six modes nephogram are obtained, which can offer the forecast parameters of the modal characteristics and the scientific basis for the development and design of the less taper leaf spring.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2012(012)034【总页数】4页(P9435-9438)【关键词】有限元;少片变截面钢板弹簧;静力分析;模态分析【作者】吴娜;张士强【作者单位】唐山学院机电工程系,唐山063000;唐山学院机电工程系,唐山063000【正文语种】中文【中图分类】U463.334.1目前在载货汽车上尤其是重型载货汽车上，钢板弹簧是首选的弹性元件［1］。
我国以前一直采用等截面多片(6～18片)结构，虽有坚固、可靠、耐久性强等优点，但本身重量大，耗料多，不利于节能和使汽车自重轻量化［2，3］。
钢板弹簧悬架有限元分析
第29卷 第6期2007年6月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNA L OF WUHAN UNIVERSIT Y OF TECHN OLOG Y Vol.29 No.6 J un.2007T L3400矿用自卸车平衡悬架有限元分析樊卫平(西安科技大学机械工程学院,西安710054)摘 要: 针对TL3400矿用自卸车平衡悬架在使用中存在的问题,利用有限元软件Ansys/L S 2dyna 建立了悬架有限元模型;在不同载荷和不同板簧宽度条件下,对平衡悬架进行了有限元分析。
在建立实验模型之后,进行实验比较。
结果表明,适当增加钢板弹簧宽度,可以有效降低结构位移量,为消除故障提供依据。
关键词: 矿用自卸车; 平衡悬架; 有限元法; 应变中图分类号: U 463.3文献标志码: A 文章编号:167124431(2007)0620137203Finite Element Analysis of the B alance Suspension forT L3400Mineral Self 2dumping T ruckFA N Wei 2pi ng(School of Mechanical Engineering ,Xi ’an University of Science and Technology ,Xi ’an 710054,China )Abstract : A finite element model of the balance sus pension of TL3400mineral truck was established by using ANSYS/L S 2D YNA software.According the proposed model ,finite element analyses were carried out under different loads and different spring widths.The experiment results showed that displacement of the structure could be reduced by properly enhancing spring width ,as to eliminate the potential failure.K ey w ords : mineral self 2dumping truck ; balance suspension ; finite element method ; strain收稿日期:2007203201.基金项目:陕西省教育厅专项基金(00J K236).作者简介:樊卫平(19652),男,讲师.E 2mail :fwp @悬架是汽车的重要组成部分,路面作用于车轮上的垂直反力、纵向反力(牵引力和制动力)和侧向反力以及这些力所产生的力矩都要通过悬架传递到车架[1]。
基于ANSYS的钢板弹簧有限元分析
计算机技术应用 《机电技术》2010年第4期基于ANSYS的钢板弹簧有限元分析徐建全林佳峰陈铭年(福建农林大学机电工程学院，福建福州 350002)摘要：采用APDL参数化有限元分析技术，对某轻型越野汽车的后悬架钢板弹簧进行参数化建模。
应用ANSYS 软件的非线性模块，考虑钢板弹簧实际工作过程中的大变形、片间接触和摩擦等多种非线性因素，建立了钢板弹簧的有限元模型，得到了钢板弹簧在不同载荷作用下的变形和应力分布。
关键词：钢板弹簧；有限元分析；ANSYS；接触单元中图分类号：U463.33+4.1 文献标识码：A 文章编号：1672－4801(2010)04－007－03钢板弹簧具有结构简单，制造、维修方便，除了作为弹性元件外，还可兼起导向和传递侧向、纵向力和力矩的作用，其片间的接触、摩擦在弹簧振动时还将起到阻尼的作用，是重要的高负荷安全部件，所以目前仍被广泛采用。
钢板弹簧的几何形状十分简单，但在工作过程中存在大变形(几何非线性)、各叶片间的接触(状态非线性)等多种非线性因素。
传统用于刚度计算及应力分析的方法主要有两种:共同曲率法和集中载荷法。
前者假设板簧受载后各簧片在同一截面上都具有相同的曲率，后者假设板簧各片仅在端部相互接触。
但这两种假设都与实际不完全相符,因此计算结果和实际相差较大[2,3]。
本文应用ANSYS有限元软件对钢板弹簧进行有限元分析，应用点-面接触单元划分板簧片之间可能的接触面，对板簧两端的卷耳、中心螺栓和U型螺栓的约束做了合理的模拟，尽可能的按照实际受载情况对钢板弹簧加载，计算的结果与实际的更加接近。
1 钢板弹簧的有限元建模1.1 钢板弹簧有限元几何模型的建立本文所分析的某轻型越野汽车的后钢板弹簧由7片板簧组成，具体尺寸如表1所示。
表1 钢板弹簧的尺寸片数厚度/mm宽度/mm长度/mm第一片第二片第三片第四片第五片第六片第七片6.56.56.56.56.56.56.563636363636363120012001020830650460270采用ANSYS软件的APDL参数化有限元分析技术，对钢板弹簧进行参数化建模[4,5,8]。
基于ANSYS的钢板弹簧工作应力应变分析
图２加载方式示意图
２应力分析
考虑到货车载重的实际情况，在钢 板弹簧中间处，分别施加大小不同的垂 直于钢板弹簧平面的力。
为确保模拟的可靠性，取相对集 中的三个加载力，分别为５００００Ｎ、
与应变不同的是，钢板弹簧应力分 布情况由中部向两端递增，由于钢板弹 簧厚度由中部向两端递增，可以得出钢 板弹簧两端最易发生破坏的结论。
器
一：嚣箔“ Ｈ：’＝：：＝
Ｈ；器： 目：器： ＿；嚣：。
图８外部载荷为７００００Ｎ的应力云图
３优化方案
从分析结果来看，汽车钢板弹簧受
６
基于此，模型的建立忽略了钢片间 的摩擦等一些冲击载荷的影响因素，根 据某型载货汽车钢板弹簧的相关参数进 行几何模型的建立。 １．１．１弹簧钢厚度
由于主片条件工作环境恶劣，为了 加强主片及卷耳，将主片厚度加厚，其 余各片厚度稍薄，此时要求副片弹簧不
宜超过三组，为使各片寿命接近性能要
求，最厚片与最薄片厚度之比不超过
１．５，各片厚度如表１所示。
表１ 钢板弹簧各片厚度 （ｍｍ）
编号 ｌ
２
３
４
５
６
７
厚度 １２ １２
１ｌ
１１
１１
１１
１１
１．１．２弹簧钢长度
选择钢板弹簧各片长度，应在片间 和延长方向的分布尽可能等应力，以达
到各片寿命接近的要求，采用“展开作
图法”得到钢板弹簧长度，如表２所示。
表２钢板弹簧各片长度 （ｍｍ）
ｉ＿气车研有
引言 钢板弹簧是汽车悬架的重要部件，
主要用于非独立悬架的汽车，一般由若 干长度不等、曲率半径不等、厚度相等 或不等的弹簧片组合而成。由于钢板弹 簧结构简单、工作可靠和价格低廉等优 点，小部分轿车和大部分载货车采用钢 板弹簧作为弹性元件。钢板弹簧不仅仅 是汽车的悬架弹性元件，还是汽车悬架 的导向装置。其一端与汽车架通过铰链 链接，可以传递工作压力，起到摩擦减 震的作用。由于汽车钢板弹簧工作过程 中，会产生较大变形及应力，当其达到 应力极限时，钢板弹簧易损坏，造成事 故。因此，本文利用ＡＮＳＹＳ有限元分 析软件，对钢板弹簧建立有限元模型， 通过对其施加约束和以及多个大小不 同、方向垂直于钢板弹簧平面的力，模 拟钢板弹簧工作时的应变和应力，通过 应力应变云图，找出应力应变的分布规 律，从而对汽车钢板弹簧进行应力应变 分析，得出应力以及应变的分布情况， 以及其应力应变大小，找出钢板弹簧工 作时的脆弱部位，并提出优化方案。
钢板弹簧刚度特性的有限元分析
钢板弹簧刚度特性的有限元分析newmaker1 前言钢板弹簧是汽车中广泛应用的弹性元件，刚度是其重要的物理参量。
因此，在产品试制出来之前，如何更准确的计算其实际刚度就成为大家共同关心的问题。
传统的计算方法，如“共同曲率法”和“集中载荷法”等均存在一定的局限性，在计算中往往需要加入经验修正系数来调整计算结果。
随着计算机的发展，有限元法因其精度高、收敛性好、使用方便等优点逐渐被应用到板簧的设计中。
邹海荣等应用有限元法分析了某渐变刚度钢板弹簧的异常断裂问题，提出了避免此种断裂的改进措施。
胡玉梅等针对某汽车后悬架的钢板弹簧应用Ansys 软件分析了其静态强度特性，给出了钢板弹簧在不同载荷作用下的应力分布，计算结果与试验符合的较好。
谷安涛则讨论了应用有限元法设计钢板弹簧的一般流程，给出了设计的示例。
有限元法的最大优点之一就是可以仿真设计对象的实际工作状态，因而可以部分代替试验，指导精确设计。
汽车钢板弹簧存在非线性和迟滞特性。
应用有限元法进行分析时需要考虑大变形及接触，即需要同时考虑几何非线性和状态非线性，这将使得计算不容易收敛，因而需要较高的求解技巧及分析策略。
本文采用Nastran的非线性分析模块分析了某钢板弹簧的刚度特性，讨论了摩擦对其性能的影响，其分析流程及结果可以为同类型产品的设计提供参考。
2 钢板弹簧刚度的计算方法传统的计算方法有“共同曲率法”和“集中载荷法”。
此外，国内学者郭孔辉针对共同曲率法中存在的固有缺陷，提出了一种称为主片分析法的计算方法，田光宇等则针对集中载荷法的固有缺陷，提出了改进的集中载荷法。
这些方法的出发点都是把板簧各片看成是等截面的悬臂梁，不考虑板簧各片之间的摩擦和板簧变形过程中的大变形特性，采用经典梁公式计算第1叶片的端点挠度，进而求得板簧的刚度。
2.1共同曲率法共同曲率法由前苏联的帕尔希洛夫斯基提出，其基本假设为板簧受载后各叶片在任一截面上都有相同的曲率，即把整个板簧看成是一变截面梁，由此推出对称板簧的刚度计算公式如下：2.2集中载荷法集中载荷法的基本假设为板簧各叶片仅在端部相互接触，即假定第i片与第i-1片之间仅有端部的一个接触点，接触力为Pi，并且在接触点处两相邻叶片的挠度相等。
汽车复合材料板弹簧的有限元分析及性能测试
汽车复合材料板弹簧的有限元分析及性能测试目前，全球的能源紧急、环境污染等问题，迫使人们想方设法来实现车辆的轻质化以削减油耗、爱护环境。
钢板弹簧作为汽车悬架系统的一部分，其在车体自重中所占比例约为1/15~1/10，假如使用复合材料，其质量可减轻60%~70%。
此外，复合材料的模量小、比重轻、比强度高、抗疲惫性能好，可提高驾驶的舒适性、稳定性及耐用性。
于1981年利用缠绕技术胜利制备出了玻纤复合材料板弹簧;英国GKN公司生产的复合材料板弹簧也已胜利实现了产业化;德、日、法等国也都对复合材料板弹簧开展了大量的基础性讨论工作。
目前，我国还没有关于汽车复合材料板弹簧产业化的相关报道，关于汽车复合材料板弹簧的讨论还处于初步的探究与试验阶段。
如，郭红等人讨论了钢板簧片中夹芯复合材料后组成的板弹簧的结构性能;赵洪斌等人从原材料、成型工艺等方面对复合材料板弹簧的制作进行了介绍。
现有讨论针对所设计的某型汽车复合材料板弹簧，利用ABAQUS有限元软件对其在预设静载工况下的应力状态进行了分析，计算了其刚度系数和最大承载力;同时，针对制备出的复合材料板弹簧样品进行了试验测试，得到了其实测的静态刚度和最大承载力。
通过对比发觉，有限元计算结果与试验测试结果吻合较好，该复合材料板弹簧的主要性能指标达到了设计要求。
针对设计的某型汽车复合材料板弹簧进行了有限元分析，得到了其在预设载荷工况下的应力状态，对比复合材料的压缩强度值得到其平安系数为3.4;计算得到复合材料板弹簧的刚度系数为157.2N/mm，其最大承载力为35kN。
同时，对采纳模压工艺制备出的复合材料板弹簧样品进行了静态刚度和最大承载力试验测试，其值分别为154.46N/mm和34566N，与有限元计算的结果相比，其偏差分别为1.7%和1.8%，可知理论计算与试验结果吻合较好，表明该复合材料板弹簧的主要性能达到设计要求。
该复合材料板弹簧的质量为5.792kg，与钢板弹簧质量(16kg)相比减重达63%以上，可实现车辆的轻质化。
汽车钢板弹簧设计的非线性振动有限元分析
汽车钢板弹簧设计的非线性振动有限元分析马 坚(华中科技大学机械学院,湖北武汉 430000)摘 要:通过有限元建模,利用AN SYS软件对钢板弹簧进行非线性接触CA E分析;通过分析,提出了结构改进方案,消除了钢板弹簧的非线性振动,并提高了其使用寿命。
关键词:钢板弹簧;非线性振动;有限元;CA EAbstract:T h rough the fin ite elem en t CA E m ethod,the au tho r m ade u se of the AN SYS softw are fo r analyzing the non linear vib rati on characteristics of leaf sp ring and then pu t fo rw ard an i m p roving schem e.T he schem e descended the non linear vib rati on and ex tended the lifeti m e.Key words:L eaf sp ring;N on linear vib rati on;F in ite elem en t;CA E中图分类号:U463.33+411 文献标识码:A 文章编号:100623331(2004)0320008202 钢板弹簧悬架传递着作用在车轮与车体之间的一切力和力矩,并能缓和由不平路面传给车身的冲击载荷,保证车辆正常行驶。
现在很多车型都选用了变刚度钢板弹簧,该种钢板弹簧的优点是在客车空载与满载状态之间呈非线性状态,使悬架在客车空载、满载状态下接近等频性,从而可以提高客车的平顺性。
但某型客车在营运过程中时常出现后钢板弹簧断裂的故障,影响行驶安全。
对此我们运用有限元计算方法,做出一些分析,并提出结构上的一些改进措施。
1 故障件分析将发生断裂的钢板弹簧进行归类统计并对断裂件送东风公司技术中心进行金相、硬度、化学成分试验分析,通过分析和统计得出以下结果:(1)所有断裂件多是板簧第二片距中心孔100～150mm左右部位断裂。
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基于有限元的钢板弹簧应力分析
蒋阳
西华大学交通与汽车工程学院
摘 要：本文讨论了利用ANSYS 软件对钢板弹簧进行映射网格划分，并在两簧片的接触区域生成ANSYS 软件所提供的接触单元，建立起多片钢板弹簧的有限元模型。
分析了施加预负荷和工作负荷时，板簧应力值显著增长的部位，从而预测板簧产生断裂的部位，可为改进设计提供指导作用。
关键词：板簧、仿真、模态
1引言
钢板弹簧具有结构简单，制造、维修方便，除了作为弹性元件外，还可兼起导向和传递侧向、纵向力和力矩的作用，其片间的接触、摩擦在弹簧振动时还将起到阻尼的作用，是重要的高负荷安全部件，目前在商用车上仍被广泛采用[1]。
传统的钢板弹簧设计方法分为：三角形板计算法，板端接触法，共同曲率法[2]。
上述三种计算方法对实际工作中的钢板弹簧进行简化，并不能反应实际工作中存在的复杂的非线性状态以及接触情况。
本文利用有限元分析软件ANSYS，对十片钢板弹簧的装配过程和工作过程进行计算分析的基础上， 求得在预负荷和工作负荷作用下的应力与位移等响应情况，为实际钢板弹簧的设计中确定参数提供了依据。
2计算模型的建立
某车型的板簧总成的三维实体结构见图1。
板簧建模时，考虑板簧总成对称性，同时为了方便建模，取其1/4为研究对象。
通过单元solid45划分网格之后，得到12390个单元和12348个节点。
图1 板簧的三维模型图
3钢板弹簧的材料属性和网格划分
钢板弹簧的材料为60CrMnBa，弹性模量为206GPa，泊松比为0.26。
solid45单元用于构造三维实体结构。
单元通过8个节点来定义,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度。
该六面体单元有8个节点，每个节点具有X、Y、Z 三个方向的平动自由度，可以进行塑性分析、蠕变分析、膨胀分析、应力硬化分析、大变形分析和大应变能力[1]。
用单元solid45划分网格之后，得到12390个单元和12348个节点。
4钢板弹簧的片间接触单元的建立
钢板弹簧总成的片与片之间，接触与否事先未知，而且接触后存在着滑移，所以在片与片的节点间建立接触单元，模拟片间的作用力。
在ANSYS 中，接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元，主要通过识别接触对与生成接触单元，设置单元关键字和实常数来创建。
利用接触单元可以跟踪接触位置、保证接触协调性防止接触表面相互穿透；并在接触表面之间传递接触应力(正压力和摩擦力)。
本文选用的接触单元分别是TARGE170 （ 三维目标单元） 与CONTA173（三维8节点面与面接触单元）[2]。
本文单元的实常数采用默认值。
摩擦采用库仑模型，钢板弹簧之间的摩
101
102
擦系数取0.3。
5 加载与边界条件
约束条件为约束模型底面中央所有节点的X，Y，Z 向的自由度，在板簧的中心螺栓处施加对称约束。
加载分2个载荷步进行。
第1个载荷步施加预负荷，使各片板簧相互贴紧, 模拟中心螺栓夹紧各叶片时弹簧的变形量,大小等于自由状态下各片的间隙之和。
第2个载荷步施加工作负荷（作用力载荷）。
某车型的板簧满载静载荷为9290N ，考虑到实际行驶中产生的动载荷，取一个动载荷系数k=2.5，由于板簧是对称的，选取了1/4模型来研究，所以工作载荷为5806N 。
6 多片钢板弹簧装配过程仿真
6.1 板簧整体装配位移与应力分析
图2 装配位移图 图3 装配应力图
板簧总成的装配位移图见图2,可见位移的最大值出现在第一片簧片，数值为19.077mm。
在施加预应力位移载荷时，各片的最大应力均发生在接触表面上，其中前两片和最后两片的最大应力发生在U 型螺栓附近，其余各片的最大应力响应发生在U 型螺栓外。
各片最大等效应力的分布趋势为：从第1片开始逐渐下降，到第4片最大等效应力值达到最小值时，随后又逐步递增。
最大等效应力在第10片，值为105MPa。
最小等效应力发生在第4片，为48MPa。
板簧总成的装配应力分布见图3。
5.2 装配后每片板簧的应力
装配后各簧片的仿真计算应力值如下表所示。
因为1-4片在装配完之后的曲率半径变小，故应力为负，而5-10片的曲率半径变大，故应力为正。
通过与传统方法计算值的比较可以得知，应力变化的趋势是一致的，但传统方法计算得出的装配应力比仿真值偏小。
表 1 各簧片预应力的仿真值 第一片
第二片 第三片 第四片 第五片 -105MPa
-103Mpa -65Mpa -48Mpa 50Mpa 第六片
第七片 第八片 第九片 第十片 60Mpa 69Mpa 73Mpa
95Mpa 100Mpa
103
5.3
多片钢板弹簧的刚度校核
图4工作载荷位移图 图5工作载荷应力图 将钢板弹簧主片上中心孔的一点在y 方向的位移量作为板簧变形的挠度。
经计算钢板弹簧的理论刚度150N/mm 小于仿真刚度154.7N/mm，满足刚度要求。
施加了工作载荷之后，每片的最大应力基本发生在U 型螺栓附近。
整体趋势的最大应力是逐步递增的。
6 钢板弹簧的模态分析
本文还对钢板弹簧进行了10阶的模态分析，根据计算结果，找出容易断裂的位置，为进一步
对结构设计进行动力学分析提供依据。
图6 七阶模态振型位移图 图 7八阶模态振型位移图
图 8 九阶模态振型位移图 图 9 十阶模态振型位移图
图6、7、8、9是各阶模态振型位移图,经过分析可以知道:钢板弹簧片在中心孔处容易折断。
这是因为当钢板弹簧U 形螺栓的紧固螺母松动后继续行驶，在大的垂直方向的冲击载荷的作用下弹簧片往往在中心孔处产生断裂。
排除方法是：首先应及时检查紧固，其次不要超载行驶，第三在不平路面上应低速行驶，防止冲击载荷过大而断裂。
7 结论 通过对钢板弹簧总成的有限元分析，计算出了板簧的挠度和应力数据。
通过分析，当施加预
应力和工作载荷时，最大应力发生在U型螺栓附近，且第一片钢板弹簧承受的应力值最显著。
可以得出在钢板弹簧设计时，为了不让板簧发生断裂或者失效的情况，U型螺栓的安装位置非常重要，不要超载行驶。
参考文献
[1]王望予.汽车设计.第四版.北京:机械工业出版社.2007年6月.
[2]郑银环.汽车钢板弹簧计算模型研究.[学位论文].武汉理工大学.2006
[3]徐建全等.基于ANSYS的钢板弹簧有限元分析.[期刊论文].《机电技术》.2010年
104。